付代軒, 雷新華, 趙世華

(四川石油射孔器材有限責任公司, 四川 隆昌 642177)

0 引 言

近年來,隨著中國油氣田開采的不斷提速發(fā)展、勘探開發(fā)力度的加大和所鉆進的地層日趨復(fù)雜,經(jīng)常會出現(xiàn)卡鉆、井漏等工程事故。處理這類事故需要使用穿孔彈對鉆桿、油管或者套管進行穿孔,以便于快速建立循環(huán)通道,實現(xiàn)鉆桿快速解卡、壓井堵漏等搶險施工的目的。

本文研究將亞半球罩聚能裝藥應(yīng)用于穿孔彈,這種穿孔彈解決了常規(guī)穿孔彈通用性差、穿孔孔徑小且對套管傷害較大的缺點,減少了施工過程的風險和復(fù)雜性。

1 亞半球罩聚能裝藥的研究

油氣井用射孔彈利用了炸藥的空穴聚能效,在這其中藥型罩的作用就是將炸藥爆炸后的爆轟能量轉(zhuǎn)換成金屬射流的動能。聚能裝藥的藥型罩的形狀主要有錐形、半球形、喇叭形、雙曲線形、雙錐形和球錐結(jié)合形等(見圖1)。

圖1 常見聚能裝藥的藥型罩結(jié)構(gòu)

理論分析表明,穿孔深度與射流的有效長度成正比,剛剛形成的射流,其長度大致與藥型罩的母線長度相等。在口徑相同的情況下,喇叭形藥型罩母線最長,錐形次之,半球形最短。傳統(tǒng)的油氣井聚能射孔彈通常都是使用喇叭形或者錐形的藥型罩,并采用較小的藥型罩錐角以提高射孔彈的穿深。對于穿孔彈,其主要目的是穿孔,同時又要避免或盡可能減小對穿孔目標后方物體的傷害,因此穿孔彈通常都是采用大錐角加大半徑的藥型罩頂部的結(jié)構(gòu)(見圖2),但是采用這種藥型罩結(jié)構(gòu)的穿孔彈穿孔孔徑通常較小,且穿孔后還有可能對下一層油套管造成較大傷害,且針對不同直徑、壁厚的油套管組合需要設(shè)計采用不同的藥型罩粉末配方和工藝,通用性較差。

桿式射流(Rod-like Jet)屬于聚能侵徹體的一種較新概念,其主要特點是與EFP(爆炸成型彈丸)一樣沒有明顯的杵體和射流之分,侵徹能力可以達到3～5倍裝藥口徑。與普通錐角罩聚能射流相比,具有對炸高不敏感、藥型罩利用率高和后效大的特點。與EFP和穿甲彈相比,聚能桿式侵徹體比EFP飛行速度更大、長度更長、斷面比動能更大、侵徹能力更強。亞半球罩聚能裝藥[1]是采用近小半球形的藥型罩,其特點是形成的射流質(zhì)量大,速度2～6 km/s范圍內(nèi)。在彈藥應(yīng)用方面,由于其穿透性能比錐形藥型罩聚能裝藥要差,所以,長期以來其主要用于穿透“軟”目標,如水、土壤或混凝土以及空間的和層壓的目標。

圖2 舊穿孔彈藥型罩結(jié)構(gòu)

圖3 亞半球藥型罩結(jié)構(gòu)

亞半球罩(見圖3)射流的成型過程不同于錐角罩,因此許多用于錐角罩的成型分析理論并不適用于亞半球罩[2-3]。從高速攝影和數(shù)值分析的研究可知,無論球缺罩的罩頂高度多大,在運動中都將發(fā)生翻轉(zhuǎn),罩體組成微元在成型過程中一直保持連續(xù),沒有錐角罩中出現(xiàn)的單元重組過程[4](見圖4)。

圖4 亞半球罩成型中各微元運動示意圖

研究表明(見圖5、圖6),錐形罩聚能裝藥形成的射流形狀不規(guī)則,頸縮現(xiàn)象比較明顯,特別是射流頭部聚合程度不是很好,很容易引起射流提前出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象,如斷裂和發(fā)散等。錐形罩聚能裝藥形成的射流速度梯度很大,是亞半球罩聚能裝藥速度梯度的7.5倍左右,隨著時間的增加,錐形罩聚能裝藥形成的射流將快速拉長而出現(xiàn)斷裂發(fā)散[5]。從圖5可以看出,亞半球罩聚能裝藥形成的射流形狀比較規(guī)則,成一長桿形,射流與杵體的區(qū)分不是很明顯。亞半球罩聚能裝藥形成的射流看不到頸縮現(xiàn)象,速度梯度也比錐形罩聚能裝藥的要小得多。

圖5 亞半球罩聚能裝藥射流形成仿真

圖6 錐形罩聚能裝藥射流形成仿真

桿式射流侵徹體的直徑要比一般聚能射流的直徑要大的多,它的穿孔直徑也會比較大。根據(jù)這一系列的理論研究,可以考慮將亞半球罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)應(yīng)用于穿孔彈的研究上。

2 亞半球罩穿孔彈的研究

2.1 有槍身穿孔彈及射孔器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

穿孔彈采用有槍身裝槍的結(jié)構(gòu)方案,分別完成了亞半球罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及有槍身穿孔彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(見圖7)。其整體裝槍結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖7 有槍身穿孔彈結(jié)構(gòu)示意圖 圖8 有槍身穿孔器總體結(jié)構(gòu)示意

穿孔彈的藥型罩配方采用了鎢銅混合金屬粉末,主裝藥采用了HMX炸藥的混合炸藥。

2.2 有槍身穿孔彈穿孔性能試驗

根據(jù)有槍身穿孔彈的使用條件,設(shè)計了穿孔模擬試驗方案,試驗裝置示意圖如圖9所示。

圖9 穿孔彈模擬穿孔示意圖

初始試驗設(shè)計針對73型油管進行穿孔,由于射孔槍下井后在油管中的位置比較隨機,而射孔彈在射孔槍體內(nèi)為螺旋分布,因此試驗中槍管和油管之間的間隙條件分別取了0 mm、中間隙6 mm、高間隙11 mm,介質(zhì)為清水。試驗數(shù)據(jù)如表1所示,試驗后各模擬部件的圖片如圖10所示。

分別對穿孔器+89型油管+178型套管、穿孔器+102型油管+178型套管、穿孔器+114型油管+178型套管、穿孔器+89型油管+127型套管的結(jié)構(gòu)分別進行試驗。試驗所使用的穿孔彈其粉末藥型罩配方以及工藝均與前一試驗一致。試驗結(jié)果如表2所示。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出,在使用了亞半球罩聚能裝藥后,采用同一金屬粉末配方以及工藝壓制出的穿孔彈,在模擬不同油管和套管組合進行穿孔試驗時,各種間隙條件下均能可靠地實現(xiàn)對油管的穿孔,最小穿孔孔徑都可以達到7 mm以上,最大穿孔孔徑可以達到10 mm,而常規(guī)錐形罩穿孔彈穿孔孔徑僅為5～7 mm。因此采用這種穿孔彈的穿孔器就能夠?qū)崿F(xiàn)多相位穿孔,有效降低爆炸后沖擊波對射孔槍體的破壞作用,同時還能夠簡化穿孔施工工藝。而采用常規(guī)錐形罩穿孔彈的穿孔器通常很難達到這種效果。

圖10 穿孔彈穿孔效果

表2 不同穿孔條件下穿孔試驗結(jié)果

穿孔彈在穿透油管后對套管的傷害均較小,從表2中試驗數(shù)據(jù)可以看出,無論哪種條件,射流對套管的最大傷害均不超過2 mm。而常規(guī)錐形罩穿孔彈穿孔孔徑較小,普遍在7 mm以下,穿透油管后對套管的傷害通常會受到射孔槍在油管中位置的影響,在間隙小的情況下有可能對套管帶來更大的傷害,甚至有可能射穿套管。這主要是因為亞半球型藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)形成的桿式射流具有對炸高和間隙不敏感的特點,這一特點使新型穿孔彈能夠適用于多種油管套管組合條件,解決了原有穿孔彈通用性不強的問題。

2.3 有槍身穿孔彈現(xiàn)場應(yīng)用

新型亞半球罩穿孔彈自研制成功,已經(jīng)在川渝地區(qū)、塔里木油田等數(shù)十口井次的油管穿孔施工中獲得了成功應(yīng)用,穿孔目標包括4in*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同、2in、3in油管以及5 in套管等,從穿孔后施工方反饋,穿孔效果非常理想,要大大優(yōu)于原有的穿孔彈產(chǎn)品,為井下工程事故的快速解決提供了技術(shù)保障,降低了施工過程的風險和復(fù)雜性。

3 結(jié)束語

(1) 亞半球罩聚能裝藥形成的桿式射流具有侵徹能力大、藥型罩利用率高、后效大和對炸高和間隙不敏感等特點。

(2) 采用這種聚能裝藥結(jié)構(gòu)的穿孔彈具有3個特點:穿孔孔徑大,穿透油管后對套管的傷害小;簡化了復(fù)雜的藥型罩配方和生產(chǎn)工藝,能夠?qū)崿F(xiàn)多相位穿孔和單相位穿孔;通用性強,能夠滿足不同井況條件的需求。

(3) 采用了亞半球罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)的穿孔彈為快速解決工程事故提供了更為有效的技術(shù)保障,降低了施工過程的風險和復(fù)雜性。

參考文獻:

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[2] 何順錄, 魯春, 馮順山. 半球罩聚能裝藥的射流形成及參數(shù)計算 [C]∥破甲文集, 1987.

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[5] 廖海平, 黃正祥, 張先鋒, 等. 亞半球罩聚能裝藥的桿式射流特性研究 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2008, 28(6): 91-94.